Динамика газовых пузырьков при акустическом возбуждении
И.А. Аганин, А.И. Давлетшин
Институт механики и машиностроения КазНЦ РАН, г. Казань, 420111, Россия
Аннотация
Рассмотрена динамика двух газовых пузырьков в жидкости под действием ультразвуковой бегущей волны. Жидкостью является вода, условия комнатные, пузырьки воздушные, изначально сферические, волна продольная, плоская, распространяется вдоль прямой, проходящей через центры пузырьков. Изучена зависимость динамики пузырьков от расстояния между ними, суммарной массы содержащегося в них газа, амплитуды воздействующей на них волны при разных соотношениях размеров пузырьков, варьируемых при сохранении их суммарной массы. Использована математическая модель, имеющая четвёртый порядок точности в терминах отношения радиуса пузырьков к расстоянию между ними. В ней учтены малая несферичность пузырьков, эффекты вязкости и сжимаемости жидкости, поверхностного натяжения. Показано, что в рассматриваемых условиях возможны такие сценарии взаимодействия пузырьков, как их схождение и столкновение, их расхождение и разрушение одного из пузырьков в силу больших деформаций. Установлены диапазоны амплитуды волны, расстояния между пузырьками, соотношения между их размерами, величины суммарной массы содержащегося в пузырька газа, при которых указанные сценарии реализуются.
Ключевые слова: динамика газовых пузырьков в жидкости, гидродинамическое взаимодействие пузырьков, ультразвуковая бегущая волна
Литература
1. Putterman S.J., Weninger K.P. Sonoluminescence: How bubbles turn sound into light // Annu. Rev. Fluid Mech. – 2000. – V. 32. – P. 445–476. – doi: 10.1146/annurev.fluid.32.1.445.
2. Taleyarkhan R.P., West C.D., Cho J.S., Lahey R.T. (Jr.), Nigmatulin R.I., Block R.C. Evidence for nuclear emissions during acoustic cavitation // Science. – 2002. – V. 295, No 5561. – P. 1868–1873. – doi: 10.1126/science.1067589.
3. Taleyarkhan R.P., West C.D., Lahey R.T. (Jr.), Nigmatulin R.I., Block R.C., Xu Y. Nuclear emissions during self-nucleated acoustic cavitation // Phys. Rev. Lett. – 2006. – V. 96, No 3. – Art. 034301, P. 1–4. – doi: 10.1103/PhysRevLett.96.034301.
4. Parlitz U., Mettin R., Luther S., Akhatov I., Voss M., Lauterborn W. Spatio-temporal dynamics of acoustic cavitation bubble clouds // Philos. Trans. R. Soc., A. – 1999. – V. 357, No 1751. – P. 313–334. – doi: 10.1098/rsta.1999.0329.
5. Kieser B., Phillion R., Smith S., McCartney T. The application of industrial scale ultrasonic cleaning to heat exchangers // Proc. Int. Conf. on Heat Exchanger Fouling and Cleaning – 2011 / Eds. M.R. Malayeri, H. Muller-Steinhagen, A.P. Watkinson – 2011. – P. 336–338.
6. Vetrimurugana R. Optimization of hard disk drive heads cleaning by using ultrasonics and prevention of its damage // APCBEE Procedia. – 2012. – V. 3. – P. 222–230. – doi: 10.1016/j.apcbee.2012.06.073.
7. Mason T.J. Ultrasonic cleaning: An historical perspective // Ultrason. Sonochem. – 2016. – V. 29. – P. 519–523. – doi: 10.1016/j.ultsonch.2015.05.004.
8. Suslick K.S. Sonochemistry // Science. – 1990. – V. 247. – P. 1439–1445. – doi: 10.1126/science.247.4949.1439.
9. Miller D.L., Quddus J. Diagnostic ultrasound activation of contrast agent gas bodies induces capillary rupture in mice // Proc. Natl. Acad. Sci. U S A. – 2000. – V. 97, No 18. – P. 10179–10184. – doi: 10.1073/pnas.180294397.
10. Seemann S., Hauff P., Schultze-Mosgau M., Lehmann C., Reszka R. Pharmaceutical evaluation of gas-filled microparticles as gene delivery system // Pharm. Res. – 2002. – V. 19, No 3. P. 250–257. – doi: 10.1023/A:1014430631844.
11. Bjerknes V.F.K. Field of Force. – N. Y.: Columbia Univ. Press, 1906. – 148 p.
12. Mettin R., Akhatov I., Parlitz U., Ohl C.D., Lauterborn W. Bjerknes force between small cavitation bubbles in a strong acoustic field // Phys. Rev. E. – 1997. – V. 56, No 3. – P. 2924–2931. – doi: 10.1103/PhysRevE.56.2924.
13. Konovalova S., Akhatov I. Structure formation in acoustic cavitation // Multiphase Sci. Technol. – 2005. – V. 17, No 3. – P. 343–371. – doi: 10.1615/MultScienTechn.v17.i4.30.
14. Pelekasis N.A., Gaki A., Doinikov A., Tsamopoulos J.A. Secondary Bjerknes forces between two bubbles and the phenomenon of acoustic streamers // J. Fluid Mech. – 2004. – V. 500. – P. 313–347. – doi: 10.1017/S0022112003007365.
15. Doinikov A.A. Mathematical model for collective bubble dynamics in strong ultrasound fields // J. Acoust. Soc. Am. – 2004. – V. 116, No 2. – P. 821–827. – doi: 10.1121/1.1768255.
16. Маргулис И.М., Маргулис М.А. Динамика взаимодействия пузырьков в кавитационном облаке // Журн. физ. химии. – 2004. T. 78, № 7. – C. 1326–1337.
17. Коновалова С.И. Трансляционные эффекты и структурообразование при акустической кавитации: Дис. ... канд. физ.-мат. наук. – Уфа, 2006. – 120 с.
18. Doinikov A.A. Translational motion of two interacting bubbles in a strong acoustic field // Phys. Rev. E. – 2001. – V. 64, Pt. 2. – Art. 026301, P. 1–6. – doi: 10.1103/PhysRevE.64.026301.
19. Harkin A., Kaper T.J., Nadim A. Coupled pulsation and translation of two gas bubbles in a liquid // J. Fluid Mech. – 2001. – V. 445, No 1. – P. 377–411. – doi: 10.1017/S0022112001005857.
20. Кузнецов Г.Н., Щёкин И.Е. Взаимодействие пульсирующих пузырьков в вязкой жидкости // Акуст. журн. – 1972. – Т. 18. – С. 565–570.
21. Губайдуллин А.А., Губкин А.С. Исследование динамики пузырькового кластера // Вестн. Тюм. гос. ун-та. – 2013. – № 7. – С. 91–97.
22. Губайдуллин А.А., Губкин А.С. Поведение пузырьков в кластере при акустическом воздействии // Современная наука: идеи, исследования, результаты, технологии. – 2013. – № 1. – С. 363–367.
23. Reddy A.J., Szeri A.J. Shape stability of unsteadily translating bubbles // Phys. Fluids. – 2002. – V. 14, No 7. – P. 2216–2224. – doi: 10.1063/1.1483840.
24. Аганин И.А., Давлетшин А.И. Динамика двух газовых пузырьков в жидкости в ультразвуковой бегущей волне // Труды Ин-та механики им. Р.Р. Мавлютова УНЦ РАН. – 2017. – Т. 12, № 1. – С. 33–39.
25. Аганин А.А., Давлетшин А.И. Моделирование взаимодействия газовых пузырьков в жидкости с учётом их малой несферичности // Матем. моделирование. – 2009. – Т. 21, № 6. – С. 89–102.
26. Аганин А.А., Давлетшин А.И., Топорков Д.Ю. Динамика расположенных в линию кавитационных пузырьков в интенсивной акустической волне // Вычисл. технологии. – 2014. – Т. 19, № 1. – С. 3–19.
Поступила в редакцию
20.03.18
Аганин Илья Александрович, младший научный сотрудник
Институт механики и машиностроения КазНЦ РАН
ул. Лобачевского, д. 2/31, г. Казань, 420111, Россия
E-mail: aganel@gmail.com
Давлетшин Анас Ильгизович, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник
Институт механики и машиностроения КазНЦ РАН
ул. Лобачевского, д. 2/31, г. Казань, 420111, Россия
E-mail: anas.davletshin@gmail.com
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.
